FC1000W型小型风力发电机设计

3、国内外风力发电机的研究和发展状况
目前，限制风能大规模商业开发利用的主要因素——风力发电成本在过去的20年中有了大幅的下降。近年来，德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度、加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，许多国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并形成了一整套有关风力发电场的规划方法、运行管理与维护方式、投融资方式、国家扶持的优惠政策及规范、法规等[1]。
4、虚拟样机技术简介
随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深刻，由原先的局部应用（单领域、单点）逐步扩展到系统应用（多领域、全生命周期）。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。
虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点、涉及产品全生命周期、支持对产品的全方位测试、分析与评估、强调不同领域的虚拟化的协同设计[6]。
(1)到2010年，全国风电总装机容量达到500万千瓦。重点在东部沿海和“三北”地区，建设30个左右10万千瓦等级的大型风电项目，形成江苏、河北、内蒙古3个100万千瓦级的风电基地。建成1～2个10万千瓦级海上风电试点项目。
(2)到2020年，全国风电总装机容量达到3000万千瓦。在广东、福建、江苏、山东、河北、内蒙古、辽宁和吉林等具备规模化开发条件的地区，进行集中连片开发，建成若干个总装机容量200万千瓦以上的风电大省。建成新疆达坂城、甘肃玉门、苏沪沿海、内蒙古辉腾锡勒、河北张北和吉林白城等6个百万千瓦级大型风电基地，并建成100万千瓦海上风电[2]。
现代风力发电机组经过几十年的研究和发展，就机组技术而言正逐步呈现以下趋势：
A.由定桨距向变桨距机型发展。变桨距风力机组在低风速区的输出功率可以高于定桨距机组，但是其机械装置和控制系统会变得更复杂。
B.机组由定速运行向变速运行发展。变速运行的优点在于可以在低风速区以最优尖速比运行而最多地获得风能。
C.有齿轮箱式向直接驱动式发展。无齿轮箱的机组结构简单，可靠性增加。
D.由单一陆地型机组逐渐开始向海上机组发展。海上风电场的建立大大节省了宝贵的陆地面积，而且风资源状况更好。
E.由百kW级向MW级乃至多MW级发展。为了提高单位土地面积的发MW，叶轮直径由15m加长到125m，可靠性从50％提高到98％等事实，可以说明风力发电机组的发展趋势是功率较大、重量较轻、造价较低、可靠性较高[4][5]。
风能开发利用已有数千年的历史。在蒸汽机发明以前，风能就曾作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。在几千年前，埃及的风帆船就在尼罗河上航行。中国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在三千年前的商代就出现了帆船。唐代有“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”的诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。方以智著的《物理小识》记载有：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之”，描述利用风车驱动水车灌田的场景。受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，现代风能最主要的利用形式——风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30%，从1993年的216万千瓦上升到2003年的4030万千瓦[1]。
我国可再生能源中长期发展规划明确指出：通过大规模的风电开发和建设，促进风电技术进步和产业发展，实现风电设备制造自主化，尽快使风电具有市场竞争力。在经济发达的沿海地区，发挥其经济优势，在“三北”(西北、华北北部和东北)地区发挥其资源优势，建设大型和特大型风电场，在其他地区，因地制宜地发展中小型风电场，充分利用各地的风能资源。主要发展目标和建设重点如下：
[5]Bossanyi, E.A. Electrical aspects of variable-speed operation of horizontal axis wind turbine generators'.UK:Etsu W/33/00221/REP, Energy Technology Support Unit, Harwell.1994
毕业设计(论文)开题报告
题目：FC1000W型小型风力发电机设计
系：机械工程学院
专业：机械设计制造及其自动化
学生姓名：XXX学号：XXXXXXXXXXXXXXX
指导教师：XXXXXX
2010年3月28日
毕业设计（论文）开题报告
1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。
2、小型风力发电机的基础理论
2.1贝兹理论
贝兹理论是在有贝兹（A.Betz）和哥劳特（H.Glauert）首先定义的自由流场风力机规则下提出的，是理想状况下的风能转换规律，它与实施的技术方案无关。风力机可做成水平轴式的和垂直轴式的，叶片可采用升力叶型或阻力叶型，叶型自身也有多种几何形状与尺寸选择。但无论如何不可能达到理想的风能转换效率，而必然存在与贝兹公式计算的最大功率相比较而言的效率。贝兹假设风轮是理想的。风轮没有轮毂，而叶片数无穷多，并且风轮对通过它的气流没有阻力，他是一个不产生损耗的能量转换器；此外，还进一步假设风轮前、风轮扫掠面、风轮后气流速度都是均匀的。空气流过风轮的瞬时能量转换可由流线图表达，如图2.1所示。风轮前远方（F1截面之前）具有流通截面相等的流线。在图中虚线包围处，风轮前流线较窄，空气通过风轮时，受风轮阻挡被向外挤压，绕过风轮的空气能量未被利用。只有通过F截面的气流，在风轮里释放了其所携带的部分动能。由于风速远小于当地的声速，即运动气流的马赫数Ma﹤﹤1，空气的压缩性可被忽略。所以F截面的大小取决于速度差△V=V1-V2。当△V=0时，所有通过F截面的气流穿过风轮后，动能不变，根本没有能量转换；如果△V= V1即V2=0，风轮后面没有气流流动，也就没有气流通过风轮，依然没有能量转换。气流如何运动才能获得可用能量，而且获得最大的转换效率呢？贝兹给出了解决这一问题的数学公式[3]。
为了提高效率、运行可靠的风力机，在它投入制造前，必须设计解决一下两个问题。
①首先是确定风轮的基本几何尺寸与特性参数，如叶片数、风轮直径、叶尖速比等；确定叶片的空气动力参数，如翼型、各叶素安装角、叶片外形等；
②其次要确定风叶和风力机所受的力，以便按照强度、刚度要求设计叶片结构和叶轮，使叶片和风力机具有可靠的安全性能以承受它所处环境的恶略运行条件[3]。
5、虚拟样机技术在风力发电机设计研究中的应用
风力发电机的动态特性研究既要考虑其刚体运动，也要考虑其柔体运动和振动，由此需要将有限元分析与多体系统动力学仿真结合在一起。采用MSC.Nastran有限元仿真系统软件进行。
在MSC.Nastran中进行运动学仿真，保证模型的可靠性和准确性后，对风力发电机在空载、满载情况下动力学仿真以确定其受力特点和运动特征，为风力发电机结构优化设计打下基础，同时确定有限元分析所需的外力。在风力发电机仿真研究中，首先要建立风力发电机的真实三维模型，即产生一个复杂的机械系统的“虚拟样机”，然后才可以仿真其真实样机的特性参数，最后综合风力发电机有限元静力仿真和模态仿真结果，对风力发电机的结构参数进行优化，并重复有限元仿真。
文献综述
1、引言
能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化,还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至；中突和战争。因此,人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。风能是太阳能的一种转化形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然能源[1]。
我国三北地区（西北、华北北部、东北）及东南沿海地区有丰富的风能资源，而这些地区又都存在能源短缺及环境污染的问题，因此通过利用风力发电来改变能源结构并改善环境，不失为在能源开发领域中重要的策略之一。中国风力发电技术的研究始于20世纪70年代末80年代初，通过自主开发研制，小型风力发电机（额定容量为100W至10KW）已实现了商业化批量生产，并获得了广泛应用，对解决广大牧区牧民及一些岛屿上居民的生活及生产用电起着重要作用。与此同时，在国家有关部委的支持下，研制出额定功率为200、250、300、600KW的风力发电机组（已逐步实现国产化），并在全国11个省区建立了27个风电场，总装机容量到2001年底约40万KW，取得了较快的发展[1]。
6、小结
现代风力机是一个涉及多学科的复杂系统。设计像这类复杂的系统，必须要有完善的分析技术来支持。从初始设计到详细设计，乃至到样机试制阶段的整个设计过程中，应该有详尽程度不同的分析。要完成这样的分析，必须要利用计算机来辅助进行[12]。
随着虚拟技术的不断发展，人们对于利用虚拟样机技术来研发新的产品的观念将更趋于成熟，它以设计周期短、费用低等优点将逐步取代传统的物理样机，在产品开发中占有重要地位。有限元分析是现代机械产品结构动态设计的基础，是一项对描述系统动力学特性所需参数进行研究和估算的技术。同时还可以根据仿真分析结果对有限元模型进行修正[10]。动态性能分析在结构设计和评价中具有极其重要的位置。特别是随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，强度和振动分析愈显重要。对关键零件进行有限元分析，对零件的结构提出了改进意见，并为其它设计改进提供了可靠的理论依据[11]。